IT202100003458A1 - SYSTEM AND METHOD FOR VIBRATION REDUCTION IN PRESSURE SWING SYSTEMS - Google Patents

SYSTEM AND METHOD FOR VIBRATION REDUCTION IN PRESSURE SWING SYSTEMS Download PDF

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IT202100003458A1
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pressure oscillations
cryo
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Antonio D'addabbo
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Gran Sasso Science Inst
Istituto Naz Fisica Nucleare
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    • F25B2500/13Vibrations

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

del brevetto per invenzione industriale dal titolo: of the patent for industrial invention entitled:

?SISTEMA E METODO PER LA RIDUZIONE DELLE VIBRAZIONI NEI SISTEMI AD OSCILLAZIONE DI PRESSIONE? ?SYSTEM AND METHOD FOR VIBRATION REDUCTION IN PRESSURE OSCILLATION SYSTEMS?

Campo tecnico Technical field

La presente invenzione si riferisce al campo dei sistemi che producono vibrazioni, come per esempio i sistemi criogenici, ovvero i crio-refrigeratori, che comprendono mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (es.: valvole rotanti o pistoni o dislocatori), ed in particolare si riferisce ai crio-refrigeratori senza liquidi criogenici, detti anche ?cryogen-free? o ?dry?, a ciclo chiuso. Pi? specificatamente la presente invenzione riguarda un dispositivo ed un metodo per stabilizzare e sopprimere il rumore vibrazionale indotto dall?azionamento contemporaneo di almeno due dei suddetti mezzi che producono oscillazioni di pressione, come per esempio, le valvole rotanti presenti nei crio-refrigeratori a tubo pulsato (PTC) di tipo Gifford-McMahon, per applicazioni che necessitano di operare in ambienti criogenici ad alto potere refrigerante e basse vibrazioni. The present invention relates to the field of systems which produce vibrations, such as for example cryogenic systems, or cryo-refrigerators, which include means for producing pressure oscillations (e.g.: rotary valves or pistons or displacers), and in particular refers to cryo-coolers without cryogenic liquids, also called ?cryogen-free? or ?dry?, in a closed cycle. Pi? specifically, the present invention relates to a device and a method for stabilizing and suppressing the vibrational noise induced by the simultaneous operation of at least two of the aforementioned means which produce pressure oscillations, such as, for example, the rotary valves present in pulsed tube cryo-coolers ( PTC) of the Gifford-McMahon type, for applications that need to operate in cryogenic environments with high cooling power and low vibrations.

Background background

Come noto, le tecnologie che utilizzano i sistemi a valvole rotanti o a pistoni o a dislocatori, sono largamente utilizzate in svariati campi dell?industria e della ricerca scientifica. Un esempio ne sono i sistemi criogenici basati sull?utilizzo delle macchine criorefrigeratrici a ciclo chiuso, che utilizzano l?espansione di un fluido, tipicamente elio gassoso, per generare potere frigorifero. Queste macchine criorefrigeratrici trovano particolare applicazione in tutti quei campi, scientifici ed industriali, in cui ? richiesto di raggiungere una temperatura inferiore ai 100-120 K disponendo di un elevato potere refrigerante e/o di un basso livello di vibrazioni. Per esempio, nel campo dei computer quantistici, ovvero calcolatori che sfruttano le leggi della fisica e della meccanica quantistica, il cui funzionamento richiede temperature molto basse, vicino allo zero assoluto (circa -273? C), ? necessario predisporre di ambienti a bassa temperatura, alto potere frigorifero e basse vibrazioni. Perci? i computer quantistici utilizzano spesso una serie di criorefrigeratori a tubo pulsato o ?Pulse Tube Cryocoolers? (PTC) come dispositivi di pre-raffreddamento o ?precooler? integrati in sistemi criogenici multistadio, tipicamente criostati cosiddetti a diluizione, cio? dispositivi criogenici che raggiungono temperature al di sotto di frazioni di grado kelvin, in maniera continua. As known, the technologies that use rotary valve or piston or displacer systems are widely used in various fields of industry and scientific research. An example are the cryogenic systems based on the use of closed-cycle cryo-refrigerator machines, which use the expansion of a fluid, typically gaseous helium, to generate cooling power. These cryo-refrigerating machines find particular application in all those fields, scientific and industrial, in which required to reach a temperature below 100-120 K with a high cooling power and/or a low level of vibrations. For example, in the field of quantum computers, or calculators that exploit the laws of physics and quantum mechanics, whose operation requires very low temperatures, close to absolute zero (about -273? C),? It is necessary to prepare environments with low temperatures, high cooling capacity and low vibrations. Why? quantum computers often use a series of pulsed tube cryocoolers or ?Pulse Tube Cryocoolers? (PTC) as pre-coolers or ?precoolers? integrated in multistage cryogenic systems, typically so-called dilution cryostats, that is? cryogenic devices that reach temperatures below fractions of a degree Kelvin, continuously.

Rispetto agli altri criorefrigeratori a ciclo chiuso, grazie all?assenza di parti in movimento a bassa temperatura, i PTC hanno il vantaggio di fornire un livello di vibrazioni pi? basso, a scapito di un pi? modesto potere refrigerante. Per questo motivo ? pratica comune equipaggiare lo stesso sistema criogenico con pi? di un PTC quando si vuole disporre di un alto potere refrigerante senza rinunciare ad un basso livello di vibrazioni. Compared to other closed cycle cryocoolers, due to the absence of low temperature moving parts, PTCs have the advantage of providing a lower level of vibration. low, at the expense of a pi? modest cooling power. For this reason ? common practice to equip the same cryogenic system with more? of a PTC when you want to have a high cooling power without giving up a low level of vibrations.

Oltre ai computer quantistici esistono numerose altre applicazioni industriali in cui i PTC, e pi? in generale i criorefrigeratori a ciclo chiuso, sono largamente utilizzati, come ad esempio: In addition to quantum computers, there are numerous other industrial applications in which PTCs, and more in general, closed-cycle cryocoolers are widely used, such as:

? ?precooler? per criostati a diluizione; ? ?precooler? for dilution cryostats;

? refrigeratori per impianti di liquefazione di gas o composti di gas (azoto, elio, aria, ecc.); ? coolers for liquefaction plants for gases or gas compounds (nitrogen, helium, air, etc.);

? pompe criogeniche, ovvero criopompe a cattura di gas in cui le sostanze gassose si legano alle superfici fredde all'interno della pompa e che vengono utilizzate per produrre alto vuoto nelle camere utilizzate, ad esempio, per la fabbricazione di prodotti a semiconduttore; ? cryogenic pumps, i.e. gas capture cryopumps in which the gaseous substances bind to the cold surfaces inside the pump and which are used to produce high vacuum in the chambers used, for example, for the manufacture of semiconductor products;

? applicazioni militari come il raffreddamento dei sensori a infrarossi, le cui termocamere vengono raffreddate per ridurre il rumore termico; ? military applications such as infrared sensor cooling, where thermal imaging cameras are cooled to reduce thermal noise;

? magnetometri SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices), ovvero dispositivi superconduttori a interferenza quantistica, che sono strumenti estremamente sensibili, usati per misurare campi magnetici molto flebili, nelle applicazioni sanitarie e mediche. ? SQUID magnetometers (Superconducting Quantum Interference Devices), or superconducting quantum interference devices, which are extremely sensitive instruments, used to measure very weak magnetic fields, in health and medical applications.

I criorefrigeratori a ciclo chiuso sono inoltre particolarmente utili nei telescopi spaziali, come il James Webb Space Telescope, che raggiunger? l?osservatorio spaziale Hubble nello spazio e dove non sar? possibile rifornire i criogeni man mano che si esauriscono, o nelle esplorazioni spaziali, come per esempio nelle future missioni su Marte, in cui potrebbero essere utilizzati per liquefare l'ossigeno sulla superficie del pianeta. Closed-cycle cryocoolers are also particularly useful in space telescopes, such as the James Webb Space Telescope, which will reach the Hubble Space Observatory in space and where it won't be? It is possible to replenish the cryogens as they run out, or in space exploration, such as in future missions to Mars, where they could be used to liquefy oxygen on the planet's surface.

Infine, si possono elencare numerosi altri usi deicriorefrigeratori a ciclo chiuso, ed in particolare dei PTC, in ambito scientifico, tra cui: Finally, numerous other uses of closed-cycle cryocoolers, and in particular of PTCs, in the scientific field can be listed, including:

? la Microscopia ad effetto tunnel; ? tunneling effect microscopy;

? i sistemi di ottica a freddo; ? cold optical systems;

? gli esperimenti di fisica di bassa energia e di eventi rari, come, per esempio, l?esperimento CUORE (Cryogenic Undregroung Observatory for Rare Events) attualmente in funzione presso la sede sotterranea dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso; ? low-energy physics experiments and rare events, such as, for example, the CUORE experiment (Cryogenic Undregroung Observatory for Rare Events) currently in operation at the underground headquarters of the Gran Sasso National Laboratories;

? gli acceleratori di particelle e le strutture per la fisica delle alte energie (CERN, ecc.); ? particle accelerators and facilities for high energy physics (CERN, etc.);

? la interferometria per la ricerca di onde gravitazionali (per es., KAGRA, Einstein Telescope); ? interferometry for the search for gravitational waves (eg, KAGRA, Einstein Telescope);

? i rivelatori astronomici (per es., il telescopio cosmologico di Atacama, l?esperimento Qubic). ? astronomical detectors (eg, the Atacama cosmological telescope, the Qubic experiment).

In tutte queste applicazioni ? richiesto un alto potere refrigerante e un basso livello di vibrazioni. In all these applications ? required a high cooling power and a low level of vibrations.

A titolo esemplificativo, nella presente invenzione si fa riferimento ai sistemi criogenici che contengono almeno due criorefrigeratori a tubo pulsato (PTC) di tipo Gifford-McMahon (GM-type). Tuttavia, la presente invenzione non ? limitata ai soli PTC GM-type, ma ? applicabile anche a PTC di tipo diverso (ad esempio PTC Stiling-type), a macchine Stirling, ed a refrigeratori di tipo Gifford McMahon. Pi? in generale la seguente invenzione non ? limitata ai soli sistemi criogenici, ma si riferisce in generale a tutti quei sistemi che producono vibrazioni e che comprendono mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione, come per es. le valvole rotanti, i pistoni, i dislocatori, che vengono azionati in maniera simultanea. By way of example, the present invention refers to cryogenic systems which contain at least two pulsed tube cryocoolers (PTC) of the Gifford-McMahon type (GM-type). However, the present invention is not limited only to PTC GM-type, but ? also applicable to PTCs of different types (for example PTC Stiling-type), to Stirling machines, and to Gifford McMahon type chillers. Pi? in general, the following invention is not? limited to cryogenic systems only, but refers in general to all those systems which produce vibrations and which include means for the production of pressure oscillations, such as e.g. rotary valves, pistons, displacers, which are operated simultaneously.

I maggiori responsabili della produzione di vibrazioni all?interno dei sistemi criogenici che utilizzano, per esempio, i PTC GM-type, e in generale all?interno di tutti i sistemi che utilizzano pi? mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione in maniera simultanea, sono i motori che azionano i suddetti mezzi. Per esempio, in un sistema criogenico equipaggiato con pi? di un PTC GM-type, ogni singola valvola rotante appartenente a ciascun PTC viene azionata singolarmente ed indipendentemente dalle altre. Di conseguenza ogni PTC lavora ad una propria frequenza di operazione definita attorno ad un valore caratteristico (tipicamente attorno a qualche Hz), a meno della precisione definita dal dispositivo di azionamento utilizzato. Quando un certo numero di PTC viene azionato simultaneamente e in maniera non sincronizzata, si producono nel sistema criogenico delle vibrazioni forzate di diversa e vicina frequenza, per effetto dello sfasamento delle forzanti, che sovrapponendosi danno origine a battimenti all?interno del sistema. A causa di ci?, lo spettro di potenza del rumore del sistema conterr? componenti di ampiezza variabile nel tempo, che rendono inevitabilmente poco efficaci le operazioni di filtraggio e di estrazione del segnale. Inoltre, tra tutte le possibili configurazioni di sfasamento tra i diversi PTC installati nel sistema, ne esister? almeno una che ottimizza determinate variabili/parametri del sistema, come il livello di vibrazioni ed il potere frigorifero. The main responsible for the production of vibrations within the cryogenic systems that use, for example, the GM-type PTCs, and in general within all the systems that use more? means for producing pressure oscillations in a simultaneous manner, are the motors which drive said means. For example, in a cryogenic system equipped with pi? of a GM-type PTC, each single rotary valve belonging to each PTC is operated individually and independently of the others. Consequently each PTC works at its own operating frequency defined around a characteristic value (typically around a few Hz), unless the precision is defined by the drive device used. When a certain number of PTCs are operated simultaneously and in a non-synchronized manner, forced vibrations of different and close frequencies are produced in the cryogenic system, due to the phase shift of the forcers, which, when superimposed, give rise to beats within the system. Because of this, the noise power spectrum of the system will contain components of variable amplitude over time, which inevitably make the filtering and signal extraction operations ineffective. Furthermore, among all the possible configurations of phase shift between the different PTCs installed in the system, will there be any? at least one that optimizes certain variables/parameters of the system, such as the level of vibrations and the cooling capacity.

In generale esistono diversi approcci per mitigare il problema delle vibrazioni nei sistemi a bassa temperatura. Fondamentalmente possono essere raggruppati in due categorie, sia a temperatura ambiente che a temperatura criogenica: In general there are several approaches to mitigate the vibration problem in low temperature systems. Basically they can be grouped into two categories, both at room temperature and at cryogenic temperature:

? contromisure passive, comprendenti ammortizzatori, disaccoppiatori, soffietti, sistemi a molle, azionamenti remoti delle valvole rotanti dei PTC, comandi a distanza dei PTC; ? passive countermeasures, including shock absorbers, decouplers, bellows, spring systems, remote PTC rotary valve drives, remote PTC controls;

? contromisure attive, comprendenti ammortizzatori elettronici o attuatori. ? active countermeasures, including electronic shock absorbers or actuators.

Per esempio, nel brevetto americano US 10,162,023 B2, appartenente alla Oxford Instruments, viene presentato un apparato per la riduzione del rumore in un refrigeratore a tubo pulsato, che trova particolare applicazione nei sistemi di risonanza magnetica per immagini. L?apparato consiste in una camera di dispersione in cui le onde di pressione provenienti dal PTC vengono dirette e suddivise. L?apparato agisce sulle onde di pressione provocate da un singolo PTC e le disperde grazie alla sua specifica architettura, ma non ? utilizzabile nel caso in cui le vibrazioni siano generate dal moto di pi? parti meccaniche in conflitto, come per esempio un sistema costituito da pi? di un PTC. For example, in the American patent US 10,162,023 B2, belonging to Oxford Instruments, a noise reduction apparatus is presented in a pulsed tube cooler, which finds particular application in magnetic resonance imaging systems. The apparatus consists of a dispersion chamber in which the pressure waves coming from the PTC are directed and divided. The apparatus acts on the pressure waves caused by a single PTC and disperses them thanks to its specific architecture, but it is not? usable in the event that the vibrations are generated by the motion of pi? mechanical parts in conflict, such as, for example, a system consisting of more? of a PTC.

Per esempio, nel brevetto US 8,639,388 B2 appartenente alla Raytheon Company, viene presentato un sistema per il "Controllo di fase adattivo per la cancellazione attiva delle vibrazioni del crio-refrigeratore", che applica una forza di annullamento (tramite un attuatore) alle vibrazioni del PTC e un sensore per regolare le oscillazioni in modo che siano fuori fase e interferiscano in modo distruttivo. In questo sistema vengono utilizzate le vibrazioni generate dalle onde di pressione provenienti da un singolo PTC, vibrazioni che interferiscono in modo distruttivo con quelle prodotte da un attuatore meccanico, ma anche in questo caso, non viene utilizzato un secondo PTC per l'interferenza. For example, in US Patent 8,639,388 B2 belonging to the Raytheon Company, a system for "Adaptive phase control for active cryocooler vibration cancellation" is presented, which applies a canceling force (via an actuator) to the vibrations of the PTC and a sensor to adjust the oscillations to be out of phase and destructively interfering. This system uses vibrations generated by pressure waves from a single PTC, vibrations that destructively interfere with those produced by a mechanical actuator, but again, a second PTC is not used for interference.

In definitiva, le soluzioni sinora adottate per affrontare il problema delle vibrazioni nei criorefrigeratori ?cryogen-free? sono basate essenzialmente sulla modifica dell??hardware? dell'architettura del PTC o dell?infrastruttura criogenica, ma hanno lo svantaggio di ridurre la potenza di raffreddamento prodotta e/o di aumentare la complessit? del sistema. Oltre a risultare parecchio invasive, la maggior parte delle soluzioni esistenti agiscono inoltre come mere contromisure passive. Infine, nessuna delle contromisure note agisce su sistemi operanti due o pi? criorefrigeratori simultaneamente. Ultimately, the solutions adopted so far to address the problem of vibrations in ?cryogen-free? Are they essentially based on hardware modification? of the architecture of the PTC or of the cryogenic infrastructure, but they have the disadvantage of reducing the cooling power produced and/or increasing the complexity? of the system. In addition to being quite invasive, most of the existing solutions also act as mere passive countermeasures. Finally, none of the known countermeasures acts on systems operating two or more? cryocoolers simultaneously.

Risulta, pertanto, necessario lo sviluppo di un dispositivo e di un metodo che consentano la sostanziale riduzione del livello di vibrazione nei sistemi comprendenti pi? mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione azionabili in maniera simultanea, come per esempio i sistemi criogenici comprendenti almeno due crio-refrigeratori PTC, senza dover ricorrere a modifiche sostanziali dell?infrastruttura del crio-refrigeratore, o introdurre ulteriori componenti termodinamiche e/o meccaniche all?interno del sistema criogenico stesso. Therefore, it is necessary to develop a device and a method which allow the substantial reduction of the vibration level in systems comprising several? means for producing pressure oscillations that can be operated simultaneously, such as cryogenic systems comprising at least two PTC cryocoolers, without having to resort to substantial modifications of the cryocooler infrastructure, or to introduce additional thermodynamic and/or mechanical components within the cryogenic system itself.

Sommario Summary

Oggetto della presente invenzione ? un metodo ed un dispositivo per la sincronizzazione dei motori che azionano i mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (per esempio le valvole rotanti, i pistoni o i dislocatori) all?interno di un sistema che comprende almeno due di detti mezzi identici o una combinazione di essi. Object of the present invention ? a method and a device for synchronizing the engines which operate the means for producing pressure oscillations (for example rotary valves, pistons or displacers) within a system comprising at least two identical means or a combination thereof of them.

Secondo una forma di realizzazione del metodo rivendicato, viene fornito un unico dispositivo configurato per sincronizzare l?operazione dei motori che azionano detti mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione, contenuti all?interno di detto sistema, detti motori venendo operati tutti esattamente alla stessa frequenza. According to an embodiment of the claimed method, there is provided a single device configured to synchronize the operation of the motors driving said means for producing pressure oscillations, contained within said system, said motors being all operated at exactly the same frequency.

Secondo una forma di realizzazione, detto dispositivo o ?drive? di azionamento motore, ? un convertitore di potenza unico, progettato su misura ed ottimizzato per controllare l?azionamento dei motori che azionano detti mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione, in un sistema comprendente almeno due di detti mezzi, in maniera sincronizzata e coordinata. According to one embodiment, said device or ?drive? of motor drive, ? a unique power converter, custom designed and optimized for controlling the actuation of the motors driving said means for producing pressure swings, in a system comprising at least two of said means, in a synchronized and coordinated manner.

Secondo una particolare forma di realizzazione, detto sistema ? un sistema criogenico formato da almeno due criorefrigeratori di tipo Stirling, e detti mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione sono coppie pistoni/dislocatori, ciascuna coppia essendo associata al proprio crio-refrigeratore Stirling. According to a particular embodiment, said system ? a cryogenic system formed by at least two Stirling-type cryocoolers, and said means for producing pressure oscillations are piston/displacer pairs, each pair being associated with its own Stirling cryocooler.

Secondo una diversa forma di realizzazione, detto sistema ? un sistema criogenico formato da almeno due criorefrigeratori di tipo Gifford-Mc Mahon (GM), e detti mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione sono coppie valvole rotanti/dislocatori, ciascuna coppia essendo associata ad un compressore incluso nel proprio criorefrigeratore GM. According to a different embodiment, said system ? a cryogenic system formed by at least two Gifford-Mc Mahon (GM) type cryocoolers, and said means for producing pressure oscillations are rotary valve/displacer pairs, each pair being associated with a compressor included in its own GM cryocooler.

Secondo un?altra forma di realizzazione, detto sistema ? un sistema criogenico formato da almeno due criorefrigeratori a tubo pulsato di tipo Stirling (PTC Styrlingtype), e detti mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione sono pistoni, ciascun pistone essendo associato al proprio crio-refrigeratore PTC Styrling-type. According to another embodiment, said system ? a cryogenic system formed by at least two Stirling-type pulsed tube cryocoolers (PTC Styrlingtype), and said means for producing pressure oscillations are pistons, each piston being associated with its own PTC Styrling-type cryocooler.

Secondo un?ulteriore forma di realizzazione, detto sistema ? un sistema criogenico formato da almeno due criorefrigeratori a tubo pulsato di tipo Gifford-McMahon (PTC GM-type), e detti mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione sono valvole rotanti, ciascuna coppia essendo associata ad un compressore incluso nel proprio PTC GM-type. According to a further embodiment, said system ? a cryogenic system formed by at least two pulsed tube cryocoolers of the Gifford-McMahon type (PTC GM-type), and said means for producing pressure oscillations are rotary valves, each pair being associated with a compressor included in its own PTC GM- type.

Secondo una forma di realizzazione preferita, il metodo rivendicato consente di ridurre il livello di rumore vibrazionale, prodotto all?interno di un sistema criogenico, comprendente almeno due crio-refrigeratori PTC GM-type, dalla sovrapposizione delle frequenze di operazione di ciascuno di detti almeno due crio-refrigeratori PTC GM-type, mediante la sincronizzazione dell?operazione dei motori che azionano le valvole rotanti di detti almeno due criorefrigeratori PTC. Il movimento di ogni valvola rotante di ciascun PTC origina delle oscillazioni di pressione che sono alla base sia del potere frigorifero del PTC che della generazione del suo rumore caratteristico. According to a preferred embodiment, the claimed method allows to reduce the level of vibrational noise, produced inside a cryogenic system, comprising at least two GM-type PTC cryo-coolers, by the overlapping of the operating frequencies of each of said at least two GM-type PTC cryocoolers, by synchronizing the operation of the motors driving the rotary valves of said at least two PTC cryocoolers. The movement of each rotary valve of each PTC originates pressure oscillations which are the basis of both the cooling power of the PTC and the generation of its characteristic noise.

Secondo una forma di realizzazione il metodo proposto utilizza un singolo dispositivo o ?drive? di azionamento motori, detto dispositivo essendo un convertitore di potenza per azionare tutte le valvole rotanti ? ognuna contenuta all?interno di ciascun PTC - contemporaneamente e sulla base di un segnale di sincronizzazione comune. Il dispositivo proposto ?, inoltre, in grado di ridurre il livello di rumore vibrazionale, gestendo il movimento relativo di ciascuna valvola rotante e facendole ruotare simultaneamente alla stessa frequenza. Secondo un?ulteriore forma di realizzazione il metodo rivendicato utilizza il rumore caratteristico prodotto da ciascuno dei singoli almeno due PTC GM-type per creare interferenze distruttive, sfruttando la sovrapposizione coerente delle vibrazioni meccaniche generate dalle onde di pressione al fine di ottenere la cancellazione del rumore. Secondo un?ulteriore forma di realizzazione, il metodo rivendicato utilizza la frequenza di lavoro caratteristica di ciascuno dei singoli almeno due PTC GM-type per sfruttare la sovrapposizione coerente delle oscillazioni al fine di ottenere la massimizzazione del potere frigorifero del sistema. According to one embodiment, the proposed method uses a single device or ?drive? of motors actuation, said device being a power converter for operating all the rotary valves ? each contained within each PTC - simultaneously and based on a common sync signal. The proposed device is also able to reduce the vibrational noise level, managing the relative movement of each rotary valve and making them rotate simultaneously at the same frequency. According to a further embodiment, the claimed method uses the characteristic noise produced by each of the individual at least two GM-type PTCs to create destructive interference, exploiting the coherent superimposition of the mechanical vibrations generated by the pressure waves in order to obtain noise cancellation . According to a further embodiment, the claimed method uses the characteristic working frequency of each of the single at least two GM-type PTCs to exploit the coherent overlapping of the oscillations in order to obtain the maximization of the cooling power of the system.

Un precedente progetto del cliente denominato "Active Pulse Tube Noise Cancellation" (APTNC), ha fornito una prima convalidazione dell'efficacia della tecnica di cancellazione del rumore sia nella fisica sperimentale (D?Addabbo et al., ?An active noise cancellation technique for the CUORE Pulse Tube Cryocoolers?, Cryogenics, 93:56?65, May 2018; V. Domp? et al.; ?The CUORE Pulse Tube Noise Cancellation Technique?; J. Low Temp. Phys., https://doi.org/10.1007/s10909-020-02435-0, Mar 2020) che negli ambienti industriali di pertinenza, tramite lo sviluppo di un software che guida due o pi? ?drive? di azionamento motore lineari di tipo commerciale. I due articoli citati riguardano i risultati ottenuti applicando la tecnica di cancellazione attiva del rumore nell?esperimento CUORE, che usa un criostato che opera fino a cinque GM-type PTC contemporaneamente. A previous customer project called "Active Pulse Tube Noise Cancellation" (APTNC), provided a first validation of the effectiveness of the noise cancellation technique both in experimental physics (D?Addabbo et al., ?An active noise cancellation technique for the CUORE Pulse Tube Cryocoolers?, Cryogenics, 93:56?65, May 2018; V. Domp? et al.; ?The CUORE Pulse Tube Noise Cancellation Technique?; J. Low Temp. Phys., https://doi. org/10.1007/s10909-020-02435-0, Mar 2020) that in the relevant industrial environments, through the development of a software that drives two or more? ?drive? commercial grade linear motor drives. The two cited articles concern the results obtained by applying the active noise cancellation technique in the CUORE experiment, which uses a cryostat operating up to five GM-type PTCs simultaneously.

La metodologia oggetto della presente invenzione, pur avendo come tramite la medesima tecnica, presenta tre elementi di innovazione rispetto al precedente progetto APTNC: The methodology object of the present invention, although using the same technique, presents three elements of innovation compared to the previous APTNC project:

1. l?utilizzo di un singolo dispositivo (o ?drive?) di azionamento motore per l'intero sistema criogenico, al posto di un ?drive? per ciascun crio-refrigeratore PTC o similari; 2. lo sviluppo di un dispositivo, progettato su misura ed ottimizzato per le operazioni dei mezzi responsabili delle oscillazioni di pressione (come le valvole rotanti, pistoni e dislocatori) dei crio-refrigeratori PTC o similari, anzich? l'utilizzo di ?drive? lineari commerciali fabbricati per scopi diversi; 1. the use of a single motor drive device (or ?drive?) for the entire cryogenic system, instead of one ?drive? for each cryo-cooler PTC or similar; 2. the development of a device, custom designed and optimized for the operations of the media responsible for the pressure oscillations (such as rotary valves, pistons and displacers) of PTC or similar cryo-coolers, rather than? the use of ?drive? commercial linears manufactured for different purposes;

3. l?implementazione di un metodo basato sulla sincronizzazione delle operazioni dei mezzi responsabili delle oscillazioni di pressione (come le valvole rotanti, pistoni e dislocatori) mediante un segnale di sincronizzazione comune, anzich? l'utilizzo di metodi basati sulla regolazione continua delle velocit? di detti mezzi (come implementato nel progetto APTNC e nell?esperimento CUORE). 3. the implementation of a method based on the synchronization of the operations of the means responsible for the pressure oscillations (such as rotary valves, pistons and displacers) by means of a common synchronization signal, instead of? the use of methods based on the continuous regulation of the speed? of said means (as implemented in the APTNC project and in the CUORE experiment).

La tecnologia oggetto della presente invenzione rappresenta un ulteriore passo in avanti rispetto alle tecnologie precedenti. Infatti, l?utilizzo di ?drive? lineari commerciali a basso rumore per azionare detti mezzi (come ad esempio le valvole rotanti dei PTC GM-type) ? gi? noto in campo industriale, ma tale utilizzo ? limitato nel rapporto 1:1 (ovvero un ?drive? lineare per l?azionamento di un singolo mezzo per la produzione di oscillazioni di pressione) ed al solo fine di ridurre passivamente il rumore di tipo elettromagnetico e le interferenze a radiofrequenza generati dall?azionamento dello stesso e dall?ambiente di operazione. A titolo esemplificativo, l?utilizzo di detti ?drive? lineari a basso rumore ? stato adottato per l?azionamento delle valvole rotanti installate sui cinque PTC GM-type fabbricati dall?azienda Cryomech ed installati nell?esperimento CUORE. The technology object of the present invention represents a further step forward with respect to previous technologies. In fact, the use of ?drive? commercial linear low noise to operate said means (such as the rotary valves of GM-type PTCs) ? already known in the industrial field, but this use ? limited in the 1:1 ratio (i.e. a linear "drive" for actuating a single means for the production of pressure oscillations) and for the sole purpose of passively reducing the electromagnetic noise and radio frequency interference generated by the drive of the same and from the operating environment. By way of example, the use of said ?drive? low noise linear ? was adopted for the activation of the rotary valves installed on the five GM-type PTCs manufactured by the Cryomech company and installed in the CUORE experiment.

A maggior vantaggio, detto dispositivo ? compatibile con PTC GM-type prodotti da diverse aziende, quali per esempio la gi? citata Cryomech, o l?azienda Sumitomo, che producono PTC GM-type dotate di valvole rotanti con differenti tipologie di azionamento motore. Inoltre, il dispositivo fornito dalla presente invenzione ? compatibile ed integrabile con tutte le tipologie di crio-refrigeratori ?cryogen-free? a ciclo chiuso presenti sul mercato, ed ? infine retro-compatibile con crio-refrigeratori ?cryogenfree? gi? in funzione, potendo essere aggiunto, e reso operativo, successivamente alla messa in opera del sistema. To greater advantage, said device ? compatible with PTC GM-type products from various companies, such as, for example, the gi? mentioned Cryomech, or the Sumitomo company, which produce GM-type PTCs equipped with rotary valves with different types of motor drive. Furthermore, the device provided by the present invention ? compatible and integrable with all types of ?cryogen-free? closed-loop systems on the market, and ? finally backwards compatible with ?cryogenfree? already in operation, being able to be added, and made operational, after the implementation of the system.

Il dispositivo oggetto della presente invenzione ? dotato di un software di gestione che interfaccia l?utente del sistema. Secondo una forma preferita di realizzazione detto software ? dotato di interfaccia grafica e di una serie di algoritmi, mediante l?implementazione dei quali ? ottenibile la cancellazione attiva del rumore in un sistema comprendente un numero di PCT GM-type pari almeno a due unit?. The device object of the present invention ? equipped with management software that interfaces with the system user. According to a preferred embodiment said software ? equipped with a graphical interface and a series of algorithms, through the implementation of which? Active noise cancellation can be obtained in a system comprising a number of GM-type PCTs equal to at least two units.

Secondo una diversa forma di realizzazione, detto software permette di utilizzare una serie di algoritmi per ottenere la massimizzazione del potere refrigerante del sistema comprendente un numero di PCT GM-type pari almeno a due unit?. According to a different embodiment, said software allows to use a series of algorithms to obtain the maximization of the cooling power of the system comprising a number of GM-type PCTs equal to at least two units.

Secondo un?ulteriore forma di realizzazione, detto software ? implementabile anche in sistemi comprendenti un numero di PTC GM-type compresi tra due e quattro unit?. According to a further embodiment, said software ? it can also be implemented in systems comprising a number of GM-type PTCs between two and four units.

Secondo un?ulteriore forma di realizzazione, detto software ? implementabile in sistemi comprendenti un numero di crio-refrigeratori ?cryogen-free? a ciclo chiuso (comprendenti i PTC) maggiore o uguale a due unit?. According to a further embodiment, said software ? implementable in systems comprising a number of ?cryogen-free? closed loop (including PTC) greater than or equal to two units?.

Breve Descrizione delle figure Brief description of the figures

- Fig.1. Schema di funzionamento di un crio-refrigeratore a ciclo chiuso secondo l?arte nota. - Fig.1. Operation diagram of a closed cycle cryo-cooler according to the prior art.

- Fig.2. Rappresentazione schematica di un dispositivo per il controllo dei motori che azionano N?2 valvole rotanti all?interno di un sistema criogenico costituito da N?2 criorefrigeratori a tubo pulsato (PTC) secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. - Fig.2. Schematic representation of a motor control device operating N?2 rotary valves within a cryogenic system consisting of N?2 Pulsed Tube (PTC) cryocoolers according to an embodiment of the present invention.

- Fig.3. Schema a blocchi di un dispositivo progettato per controllare i motori che azionano N?2 valvole rotanti di un sistema criogenico secondo la presente invenzione. - Fig.3. Block diagram of a device designed to control the motors which operate N?2 rotary valves of a cryogenic system according to the present invention.

Descrizione dettagliata Detailed description

Viene descritto di seguito un metodo ed un dispositivo per il controllo dei motori che azionano i mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (come per es: le valvole rotanti, i pistoni, i dislocatori) all?interno di un sistema comprendente almeno due di detti mezzi. Described below is a method and device for controlling motors which operate means for producing pressure oscillations (such as, for example: rotary valves, pistons, displacers) within a system comprising at least two of said means.

In particolare, il metodo proposto risulta particolarmente efficace per la riduzione del rumore vibrazionale meccanico e/o per la massimizzazione del potere frigorifero generato all?interno di un sistema criogenico costituito da almeno due crio-refrigeratori a ciclo chiuso, ciascuno di detti crio-refrigeratori equipaggiato con almeno uno dei detti mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione, e applicabile in tutti quegli ambienti in cui ? richiesto un alto vuoto e/o potere frigorifero e un basso livello vibrazionale. In particular, the proposed method is particularly effective for the reduction of the mechanical vibrational noise and/or for the maximization of the refrigerating power generated within a cryogenic system consisting of at least two closed-cycle cryo-coolers, each of said cryo-coolers equipped with at least one of the said means for the production of pressure oscillations, and applicable in all those environments in which ? required a high vacuum and/or cooling capacity and a low vibrational level.

Per produrre le oscillazioni di pressione possono essere usati alternativamente combinazioni di compressori e/o pistoni/dislocatori che lavorano ad alta frequenza (tipicamente 25-400 Hz), o combinazioni di compressori e valvole rotanti/dislocatori che lavorano a frequenza pi? bassa (tipicamente 0.5-5 Hz). Alternately combinations of compressors and/or pistons/displacers working at high frequencies (typically 25-400 Hz), or combinations of compressors and rotary valves/displacers working at higher frequencies can be used to produce the pressure oscillations. low (typically 0.5-5 Hz).

Per esempio, nei crio-refrigeratori Stirling (Fig.1A), le oscillazioni di pressione sono generate dal movimento di uno o pi? pistoni (10A) direttamente connessi con una camera (11A), coordinato con il movimento di un dislocatore (12A) disposto al suo interno, e controllato da un motore (non mostrato in figura). For example, in Stirling cryo-coolers (Fig.1A), the pressure oscillations are generated by the movement of one or more? pistons (10A) directly connected with a chamber (11A), coordinated with the movement of a displacer (12A) arranged inside it, and controlled by a motor (not shown in the figure).

In un altro esempio, nei crio-refrigeratori di tipo Gifford-McMahon (Fig.1B), le oscillazioni di pressione sono generate da un compressore (13B) associato ad una valvola rotante (14B) direttamente connessa con una camera (11B), coordinata con il movimento di un dislocatore (12B) disposto al suo interno, e controllata da un motore (non mostrato in figura). In another example, in cryo-coolers of the Gifford-McMahon type (Fig.1B), the pressure oscillations are generated by a compressor (13B) associated with a rotary valve (14B) directly connected to a chamber (11B), coordinated with the movement of a displacer (12B) arranged inside it, and controlled by a motor (not shown in the figure).

I crio-refrigeratori a tubo pulsato o ?Pulse Tube Cryocooler? (PTC) agiscono in modo del tutto analogo ai precedenti, con la differenza che il ruolo del dislocatore (12 A, 12B) ? giocato dal gas stesso che si muove avanti e indietro nel cosiddetto ?tubo pulsato?. The pulsed tube cryo-coolers or ?Pulse Tube Cryocooler? (PTC) act in a completely analogous way to the previous ones, with the difference that the role of the displacer (12A, 12B) ? played by the gas itself which moves back and forth in the so-called ?pulsed tube?.

Quindi ad esempio, nei crio-refrigeratori a Pulse Tube di tipo Stirling (Stirling-type PTC), Fig.1C, le oscillazioni di pressione sono generate dal movimento di uno o pi? pistoni(10C) direttamente connessi con il tubo pulsato (15C) e controllati da un motore. So for example, in Stirling-type Pulse Tube cryo-coolers (Stirling-type PTC), Fig.1C, the pressure oscillations are generated by the movement of one or more? pistons (10C) directly connected with the pulsed tube (15C) and controlled by a motor.

Mentre ad esempio, nei crio-refrigeratori a Pulse Tube di tipo Gifford-McMahon (GM-type PTC), Fig.1D, le oscillazioni di pressione sono generate da un compressore (13D) associato ad una valvola rotante (14D) direttamente connessa con il tubo pulsato (15D) e controllata da un motore. While, for example, in Gifford-McMahon type Pulse Tube cryo-refrigerators (GM-type PTC), Fig.1D, the pressure oscillations are generated by a compressor (13D) associated with a rotary valve (14D) directly connected with the tube pulsed (15D) and controlled by a motor.

Come detto, il metodo proposto pu? essere applicato ad uno qualsiasi delle tipologie di crio-refrigeratori a ciclo chiuso tra quelli elencati, finalizzato alla riduzione del rumore vibrazionale e/o alla massimizzazione del potere frigorifero. As mentioned, the proposed method pu? be applied to any of the types of closed cycle cryo-coolers among those listed, aimed at reducing vibrational noise and/or maximizing the cooling power.

Il metodo proposto risulta particolarmente efficace per la riduzione del rumore vibrazionale meccanico creato all?interno di un sistema criogenico costituito da almeno due crio-refrigeratori a tubo pulsato (PCT) di tipo GM (PTC GM-type) a ciclo chiuso. The proposed method is particularly effective for the reduction of the mechanical vibrational noise created within a cryogenic system consisting of at least two closed-cycle GM-type pulsed tube cryo-coolers (PCT) (PTC GM-type).

Un crio-refrigeratore a tubo pulsato, o Pulse Tube cryocooler (PTC), ? una macchina a fluido per la produzione del freddo, in particolare di temperature criogeniche inferiori a ~120 K, la cui potenza di raffreddamento ? fornita mediante cicli di espansione/compressione del fluido in esso evolvente, di norma elio pressurizzato a poche decine di bar, ottenuti mediante un generatore di oscillazioni di pressione ad alta frequenza (come in un refrigeratore ?Stirling? (Fig.1C), ad esempio tramite un pistone di espansione/compressione) oppure mediante un compressore a pi? bassa frequenza associato a una valvola rotante (come ad esempio in un refrigeratore ?Gifford-McMahon, Fig,1D). Per questo motivo i PTC del primo tipo vengono anche detti ?Stirling-type? PTC, mentre quelli del secondo tipo sono anche chiamati ?GM-type? PTC. A pulse tube cryocooler, or Pulse Tube cryocooler (PTC), ? a fluid machine for the production of cold, in particular of cryogenic temperatures below ~120 K, whose cooling power is ? supplied by expansion/compression cycles of the fluid evolving in it, normally helium pressurized at a few tens of bars, obtained by means of a high-frequency pressure oscillation generator (as in a ?Stirling? cooler (Fig.1C), for example through a piston of expansion/compression) or through a compressor to pi? low frequency associated with a rotary valve (such as in a ?Gifford-McMahon chiller, Fig,1D). For this reason the PTCs of the first type are also called ?Stirling-type? PTC, while those of the second type are also called ?GM-type? PTC extension.

L'effetto di raffreddamento si basa su una variazione periodica della pressione all'interno di uno o pi? tubi a parete sottile (15C, 15D) con scambiatori di calore (17C, 17D, 18C, 18D) ad entrambe le estremit? e connessi ad un rigeneratore (16C, 16D) di grande capacit? termica. The cooling effect is based on a periodic variation of the pressure within one or more? thin-walled tubes (15C, 15D) with heat exchangers (17C, 17D, 18C, 18D) at both ends? and connected to a regenerator (16C, 16D) of large capacity? thermal.

Come mostrato in Fig.1C e Fig.1D, il sottile tubo cilindrico vuoto (15C, 15D), o tubo pulsato, ? interposto tra lo ?scambiatore caldo? (17C, 17D), che cede all?esterno il calore accumulato durante il ciclo, e lo scambiatore ?freddo (18C, 18D), posto a contatto con il corpo da refrigerare, ed ? connesso con materiale rigeneratore (16C, 16D), come maglie o granuli di metallo (ad esempio acciaio inossidabile, bronzo, ottone, rame, piombo o terre rare). Ad esempio, nei PTC GM-type (Fig.1D) i cicli di pressione sono generati da una valvola rotante (14D) posizionata all'interno della testa motore a temperatura ambiente del PTC. Detta valvola rotante effettua tipicamente tra 0.5 e 5 giri al secondo e collega alternativamente il PTC al lato ad alta e bassa pressione di un compressore (13D). Ci? si traduce in onde di pressione con una frequenza che dipende dal modello del PTC utilizzato. As shown in Fig.1C and Fig.1D , the thin hollow cylindrical tube (15C, 15D), or pulsed tube, ? placed between the ?hot exchanger? (17C, 17D), which transfers the heat accumulated during the cycle to the outside, and the exchanger is cold (18C, 18D), placed in contact with the body to be refrigerated, and is? connected with regenerative material (16C, 16D), such as metal meshes or granules (e.g. stainless steel, bronze, brass, copper, lead or rare earths). For example, in GM-type PTCs (Fig.1D) the pressure cycles are generated by a rotary valve (14D) positioned inside the motor head at room temperature of the PTC. Said rotary valve typically makes between 0.5 and 5 revolutions per second and alternately connects the PTC to the high and low pressure side of a compressor (13D). There? it results in pressure waves with a frequency that depends on the model of the PTC used.

Le variazioni dei parametri termodinamici del gas forniscono la potenza di raffreddamento (o potere frigorifero), ma sono anche fonte di rumore meccanico alla frequenza della valvola rotante e delle sue armoniche. The variations of the thermodynamic parameters of the gas provide the cooling power (or refrigerating power), but they are also a source of mechanical noise at the frequency of the rotary valve and its harmonics.

Le valvole rotanti in uso nei moderni PTC sono azionate da dei motori i quali possono richiedere diverse tipologie di alimentazione, a seconda del modello scelto. The rotary valves used in modern PTCs are driven by motors which may require different types of power supplies, depending on the model chosen.

Secondo una forma di realizzazione dell?invenzione, come mostrato in Fig.2, il metodo rivendicato fornisce un dispositivo (20) che permette di sincronizzare il movimento di rotazione di due o pi? valvole rotanti (21), ciascuna al servizio di un differente PTC GM-type, in modo tale che lavorino ad una frequenza esattamente identica. According to an embodiment of the invention, as shown in Fig.2, the claimed method provides a device (20) which allows to synchronize the rotational movement of two or more? rotary valves (21), each serving a different GM-type PTC, so that they operate at exactly the same frequency.

Il dispositivo (20) fornito secondo l?invenzione, o ?drive? di azionamento motore, agisce sull?intero sistema ed ? progettato per adattarsi a diversi sistemi comprendenti almeno due mezzi per la generazione di oscillazioni di pressione, disposti in due diverse macchine tra loro indipendenti (come ad esempio due valvole rotanti, o due pistoni, o due coppie di valvole/dislocatori, o due coppie di valvole/pistoni, in un sistema composto da due criorefrigeratori a ciclo chiuso); per esempio, pu? essere utilizzato in un sistema criogenico (200) composto da due o pi? crio-refrigeratori PTC GM-type, per controllare simultaneamente i motori che azionano le valvole rotanti (21) contenute in ciascuno dei PTC (un valvola rotante per ogni PTC). Il dispositivo ? personalizzabile a seconda del sistema in cui deve operare e pu? essere realizzato su misura in base, per esempio, al modello di criorefrigeratori PTC che deve azionare. A titolo esemplificativo, nel caso dei crio-refrigeratori PTC GM-type commercializzati da una delle aziende leader nel settore, i motori che azionano le valvole rotanti sono motori passo-passo alimentati con una coppia di onde quadre, tra loro in quadratura di fase, di ampiezza fissata e di frequenza proporzionale alla frequenza di rotazione della valvola. The device (20) supplied according to the invention, or ?drive? engine drive, acts on? the whole system and ? designed to adapt to different systems comprising at least two means for generating pressure oscillations, arranged in two different independent machines (such as for example two rotary valves, or two pistons, or two pairs of valves/displacers, or two pairs of valves/pistons, in a system composed of two closed cycle cryocoolers); for example, can be used in a cryogenic system (200) composed of two or more? GM-type PTC cryo-coolers, to simultaneously control the motors that operate the rotary valves (21) contained in each of the PTCs (one rotary valve for each PTC). The device ? customizable according to the system in which it must operate and pu? be tailored to, for example, the model of PTC cryocoolers it is to operate. By way of example, in the case of the GM-type PTC cryo-coolers marketed by one of the leading companies in the sector, the motors that operate the rotary valves are stepper motors fed with a pair of square waves, in phase quadrature with each other, of fixed amplitude and frequency proportional to the rotation frequency of the valve.

Sempre a titolo esemplificativo, nel caso di criorefrigeratori PTC GM-type commercializzati da un?altra azienda, i motori che azionano le valvole rotanti sono motori sincroni o asincroni alimentati con una terna di onde sinusoidali, sfasate tra loro di un angolo di 120?, di ampiezza fissata e di frequenza proporzionale alla frequenza di rotazione della valvola. Again by way of example, in the case of GM-type PTC cryocoolers marketed by another company, the motors that operate the rotary valves are synchronous or asynchronous motors fed with a triad of sine waves, phase-shifted by an angle of 120?, of fixed amplitude and frequency proportional to the rotation frequency of the valve.

Normalmente in un sistema criogenico ogni valvola rotante ? azionata dal proprio motore. In un sistema criogenico costituito da due o pi? PTC, ogni valvola rotante viene azionata mediante un motore alimentato con un insieme di forme d?onda, in numero, forma, ampiezza e frequenza tipiche del modello di PTC in uso. La differenza di frequenza di operazione di diversi gruppi di forme d?onda, ciascuno azionante una valvola rotante indipendente e appartenente ad un PTC indipendente, genera uno sfasamento progressivo tra le frequenze di operazione dei diversi PTC. Tale sfasamento ? all?origine delle vibrazioni forzate di diversa e vicina frequenza che sono alla base della generazione dei battimenti e dunque del rumore mutevole del sistema. Normally in a cryogenic system each rotary valve ? powered by its own motor. In a cryogenic system consisting of two or more? PTC, each rotary valve is operated by a motor supplied with a set of waveforms, in number, shape, amplitude and frequency typical of the PTC model in use. The difference in the operating frequency of several groups of waveforms, each driving an independent rotary valve and belonging to an independent PTC, generates a progressive phase shift between the operating frequencies of the different PTCs. This phase shift? at the origin of the forced vibrations of different and close frequencies which are at the basis of the generation of the beats and therefore of the changing noise of the system.

Secondo una forma di realizzazione del metodo rivendicato ognuno dei motori coinvolti nell?apparato criogenico viene alimentato con un insieme (ad esempio con una coppia o con una terna) di forme d?onda della medesima origine e della medesima frequenza, che mantengano dunque invariata nel tempo la loro reciproca differenza di fase. La frequenza di ognuna delle coppie o delle terne di forme d?onda ? modificabile indipendentemente dalle altre, al fine di trovare la configurazione di fase reciproca tra le oscillazioni di pressione generate dai diversi criorefrigeratori coinvolti nel sistema, che minimizzi il rumore del sistema ed/oppure che massimizzi il potere frigorifero del sistema. Secondo una forma di realizzazione preferita, come mostrato in Fig.2, il dispositivo (20) fornito secondo il metodo rivendicato ? configurato per gestire una pluralit? di valvole rotanti (21) e comprende una pluralit? di schede elettroniche, ciascuna scheda elettronica essendo associata con una o pi? diverse valvole rotanti (21); una prima scheda elettronica di detta pluralit? di schede agisce come ?master?, mentre le restanti schede elettroniche agiscono come ?slave?, avente ciascuna il proprio azionamento. La suddetta prima scheda elettronica, agente come ?master?, gestisce le operazioni di dette schede ?slaves? tramite un microcontrollore la cui sequenza di istruzioni viene programmata con un software integrato, o ?firmware? di basso livello, che opera a pi? alta frequenza rispetto al movimento delle valvole. La suddetta prima scheda elettronica, agente come ?master?, fornisce anche il segnale di sincronizzazione per dette schede ?slaves?. According to an embodiment of the claimed method each of the motors involved in the cryogenic apparatus is fed with a set (for example with a pair or with a triad) of waveforms of the same origin and of the same frequency, which therefore remain unchanged in the time their mutual phase difference. The frequency of each pair or triad of waveforms? modifiable independently of the others, in order to find the reciprocal phase configuration between the pressure oscillations generated by the different cryocoolers involved in the system, which minimizes the system noise and/or which maximizes the system's cooling capacity. According to a preferred embodiment, as shown in Fig.2, the device (20) provided according to the claimed method ? configured to handle a plurality? of rotary valves (21) and comprises a plurality? of electronic cards, each electronic card being associated with one or more? several rotary valves (21); a first electronic card of said plurality? of boards acts as ?master?, while the remaining electronic boards act as ?slave?, each having its own drive. Said first electronic card, acting as ?master?, manages the operations of said ?slave? via a microcontroller whose sequence of instructions is programmed with an integrated software, or ?firmware? low-level, which operates at the pi? high frequency compared to the movement of the valves. Said first electronic card, acting as "master" also supplies the synchronization signal for said "slave" cards.

Secondo una forma di realizzazione del dispositivo fornito con la presente invenzione (Fig.3), l?architettura hardware (300) di detto dispositivo (20) comprende un convertitore di potenza (30), la cui diagnostica e controllo sono gestite anch?esse dallo stesso ?firmware?. Detto convertitore di potenza (30) include una o pi? schede di potenza (32), o ?Power Board?, responsabili della trasformazione elettrica della forma d?onda in arrivo dalla rete (33), e da una o pi? schede di controllo (34), o ?Control Board?, che gestiscono una rete di condizionamento di switches (35) facente parte della ?Power Board? (32) ed asservita alla stessa. Secondo una forma di realizzazione, detta scheda ?master? (34A), tramite un microcontrollore (35A) si occupa anche della gestione delle periferiche e dei protocolli di comunicazione e dell?interfaccia con il mondo esterno. Secondo una ulteriore forma di realizzazione, un secondo microcontrollore (35B) si occupa della gestione delle periferiche e dei protocolli di comunicazione e dell?interfaccia con il mondo esterno tramite un secondo ?firmware? di pi? alto livello. In particolare, detta interfaccia ? predisposta per ricevere comandi da un software (36) per il controllo e la gestione dell?interfaccia utente ed inviare letture a detto software (36), di cui la scrivente possiede tutti i diritti, secondo un protocollo di comunicazione, che viene definito in base alle necessit? di prestazione e velocit? del dispositivo. According to an embodiment of the device provided with the present invention (Fig.3), the hardware architecture (300) of said device (20) comprises a power converter (30), the diagnostics and control of which are also managed from the same ?firmware?. Said power converter (30) includes one or more? power boards (32), or ?Power Boards?, responsible for the electrical transformation of the wave form arriving from the network (33), and from one or more? control boards (34), or ?Control Board?, which manage a conditioning network of switches (35) belonging to the ?Power Board? (32) and subservient to it. According to one embodiment, called the ?master? (34A), via a microcontroller (35A) also takes care of the management of the peripherals and communication protocols and of the interface with the outside world. According to a further embodiment, a second microcontroller (35B) manages the peripherals and communication protocols and interfaces with the outside world via a second ?firmware? more high level. In particular, said interface ? arranged to receive commands from a software (36) for the control and management of the user interface and to send readings to said software (36), of which the undersigned has all the rights, according to a communication protocol, which is defined on the basis to the needs? of performance and speed? of the device.

Secondo una forma di realizzazione di detto software (36), l?interfaccia ? predisposta per la comunicazione con un numero di sensori di pressione (37) pari al numero di criorefrigeratori coinvolti nel sistema, ciascuno installato in comunicazione con la camera in cui si producono le oscillazioni di pressione alla base della generazione del potere frigorifero e del rumore caratteristico. According to an embodiment of said software (36), the interface ? arranged for communication with a number of pressure sensors (37) equal to the number of cryocoolers involved in the system, each installed in communication with the chamber in which the pressure oscillations are produced which are the basis of the generation of the cooling power and the characteristic noise.

Secondo una forma di realizzazione di detto software (36), l?interfaccia ? predisposta per la comunicazione con un numero di sensori di vibrazioni (37) (ad esempio accelerometri, geofoni, ecc.) pari al numero di assi geometrici (cartesiani) coinvolti nel sistema, ciascuno installato in contatto meccanico diretto con la camera nella quale si vuole minimizzare il rumore caratteristico. According to an embodiment of said software (36), the interface ? set up for communication with a number of vibration sensors (37) (for example accelerometers, geophones, etc.) equal to the number of geometric axes (Cartesian) involved in the system, each installed in direct mechanical contact with the chamber in which it is desired minimize characteristic noise.

Secondo una forma di realizzazione di detto software (36), l?interfaccia ? predisposta per la comunicazione con un numero qualsiasi di sensori di temperatura (37), installati in contatto termico diretto con la camera nella quale si vuole massimizzare il potere frigorifero. According to an embodiment of said software (36), the interface ? set up for communication with any number of temperature sensors (37), installed in direct thermal contact with the chamber in which the cooling power is to be maximized.

Secondo una forma di realizzazione di detto software, l?interfaccia ? predisposta per la comunicazione con il/i firmware del dispositivo al fine di modificare la fase relativa tra i mezzi responsabili della generazione delle oscillazioni di pressione (38) appartenenti a criorefrigeratori diversi ma installati sullo stesso sistema. La configurazione di fase scelta ? identificata tramite un indicizzatore integrato nel dispositivo, ed ? associabile ad una configurazione di fase reale del sistema tramite le letture fornite dai sensori di pressione. Grazie ad un algoritmo del software ? possibile mappare l?intero spazio delle possibili configurazioni di fase, e predisporre delle letture di rumore ed/oppure di temperatura da associare ad ogni specifica configurazione. In questo modo ? possibile individuare, identificare, selezionare e conservare nel tempo la specifica configurazione di fase che minimizzi il rumore o che massimizzi il potere refrigerante. According to an embodiment of said software, the interface ? arranged for communication with the device firmware/s in order to modify the relative phase between the means responsible for generating the pressure oscillations (38) belonging to different cryocoolers but installed on the same system. The phase configuration chosen? identified through an indexer integrated into the device, and ? which can be associated with a real phase configuration of the system through the readings provided by the pressure sensors. Thanks to a software algorithm ? It is possible to map the entire space of possible phase configurations, and prepare noise and/or temperature readings to be associated with each specific configuration. In this way ? possible to identify, identify, select and maintain over time the specific phase configuration that minimizes noise or maximizes the cooling power.

Secondo la forma di realizzazione preferita dell?invenzione, il software per il controllo e la gestione dell?interfaccia utente (36), come di tutte le operazioni necessarie alla minimizzazione del rumore ed/oppure alla massimizzazione del potere frigorifero, ? configurato per un sistema criogenico composto da almeno due PTC. Secondo un?altra forma di realizzazione detto software (36) ? configurato per operare con un sistema criogenico composto da un numero di PTC compresi tra due e quattro unit?. Secondo un?ulteriore forma di realizzazione detto software (36) ? configurato per operare con un sistema criogenico composto da un numero di criorefrigeratori maggiore o uguale a due unit?. According to the preferred embodiment of the invention, the software for controlling and managing the user interface (36), as well as all the operations necessary for minimizing the noise and/or maximizing the cooling power, ? configured for a cryogenic system composed of at least two PTCs. According to another embodiment, said software (36) ? configured to operate with a cryogenic system consisting of between two and four PTC units. According to a further embodiment said software (36) ? configured to operate with a cryogenic system composed of a number of cryocoolers greater than or equal to two units.

Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall?ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate. Finally, it is clear that modifications and variations can be made to what is described and illustrated herein without thereby departing from the scope of protection of the present invention, as defined in the attached claims.

In particolare, si ribadisce che i mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38) possono essere non solo valvole rotanti, ma anche pistoni, dislocatori, o qualunque altro mezzo azionato da un motore controllabile dal dispositivo proposto, secondo il metodo proposto. Inoltre si sottolinea nuovamente che il numero di valvole rotanti (o di una qualunque altra tipologia di mezzo per la produzione di oscillazioni di pressione) che pu? essere gestito tramite il metodo proposto pu? variare rispetto a quanto illustrato in precedenza, e il suddetto metodo pu? essere applicato per il controllo dei motori che azionano detti mezzi in un sistema avente anche finalit? diverse da quelle illustrate nella presente descrizione, ma che sia composto da un numero di detti mezzi almeno uguale a due. In particular, it is reiterated that the means for producing pressure oscillations (38) can be not only rotary valves, but also pistons, displacers, or any other means actuated by a motor controllable by the proposed device, according to the proposed method. Furthermore, it is emphasized again that the number of rotary valves (or any other type of means for the production of pressure oscillations) that can? be managed through the proposed method pu? vary from what was previously illustrated, and the aforementioned method pu? be applied for the control of the engines that operate said means in a system that also has finality? different from those illustrated in the present description, but which is composed of a number of said means at least equal to two.

Claims (11)

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (20, 300) per il controllo dei motori che azionano i mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38) in un sistema che produce vibrazioni, detto sistema comprendente almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38), detto dispositivo essendo un ?drive? per azionamento motore (300), progettato su misura e ottimizzato per azionare in maniera sincronizzata detti motori che azionano detti almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38).1. Device (20, 300) for controlling the motors which drive the means for producing pressure oscillations (38) in a system which produces vibrations, said system comprising at least two means for producing pressure oscillations (38) , said device being a ?drive? for motor drive (300), custom designed and optimized for synchronously driving said motors driving said at least two means for producing pressure swings (38). 2. Dispositivo (20, 300) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere:2. Device (20, 300) according to claim 1, characterized in that it comprises: - una prima scheda elettronica (34A) agente come ?master? ed almeno una seconda scheda elettronica (34B) agente come ?slave?, detta prima scheda elettronica (34A) essendo configurata per gestire e coordinare le operazioni di detta prima e detta almeno una seconda scheda elettronica (34A, 34B), detta prima e detta almeno una seconda scheda elettronica (34A, 34B) essendo associate con detti almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38);- a first electronic board (34A) acting as ?master? and at least one second electronic card (34B) acting as a "slave", said first electronic card (34A) being configured to manage and coordinate the operations of said first and said at least one second electronic card (34A, 34B), said first and said at least a second electronic board (34A, 34B) being associated with said at least two means for producing pressure oscillations (38); - un software di gestione e di interfaccia utente (36) per il controllo e la gestione di tutte le operazioni volte alla sincronizzazione delle operazioni di detti almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38); - management and user interface software (36) for controlling and managing all the operations aimed at synchronizing the operations of said at least two means for producing pressure oscillations (38); - un?interfaccia configurata per ricevere comandi dal software di gestione (36) ed inviare letture al software di gestione (36) secondo un protocollo di comunicazione commisurato alle necessit? di prestazione e velocit? di detto dispositivo.- an interface configured to receive commands from the management software (36) and send readings to the management software (36) according to a communication protocol commensurate with the needs? of performance and speed? of said device. 3. Dispositivo (20, 300) secondo la rivendicazione 2, in cui detta prima scheda elettronica (34A) fornisce il segnale di sincronizzazione tramite almeno un microcontrollore (35A) programmato mediante un ?firmware? configurato per eseguire attivit? di basso livello, detto microcontrollore (35A) operante a frequenza pi? alta rispetto ai segnali per azionamento motore forniti da detto dispositivo (20, 300) a detti almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38).3. Device (20, 300) according to claim 2, wherein said first electronic board (34A) supplies the synchronization signal through at least one microcontroller (35A) programmed by means of a ?firmware? configured to perform tasks? low-level, said microcontroller (35A) operating at frequency pi? high with respect to the motor drive signals provided by said device (20, 300) to said at least two means for producing pressure oscillations (38). 4. Dispositivo (20, 300) secondo la rivendicazione 1, in cui detto sistema che produce vibrazioni ? un sistema criogenico (200) formato da almeno due crio-refrigeratori, detti almeno due crio-refrigeratori comprendenti almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38), detti mezzi (38) comprendenti valvole rotanti (14B, 14D), pistoni (10A, 10C), dislocatori (12A, 12B) o combinazioni di questi.4. Device (20, 300) according to claim 1, wherein said system which produces vibrations ? a cryogenic system (200) formed by at least two cryo-coolers, said at least two cryo-coolers comprising at least two means for producing pressure oscillations (38), said means (38) comprising rotary valves (14B, 14D), pistons (10A, 10C), displacers (12A, 12B) or combinations thereof. 5. Dispositivo (20, 300) secondo la rivendicazione 4 caratterizzato dal fatto di essere compatibile ed integrabile, con tutte le tipologie di crio-refrigeratori, dette tipologie comprendenti crio-refrigeratori a ciclo chiuso di tipo Stirling, di tipo Gifford Mc-Mahon e di tipo a tubo pulsato (PTC).5. Device (20, 300) according to claim 4 characterized by the fact that it is compatible and can be integrated with all types of cryo-coolers, said types comprising closed-cycle cryo-coolers of the Stirling type, Gifford Mc-Mahon type and pulsed tube type (PTC). 6. Metodo per la sincronizzazione dei motori che azionano i mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38) nei sistemi comprendenti almeno due di detti mezzi (38), caratterizzato dal fatto di fornire un dispositivo o ?drive? di azionamento motore (20, 300) progettato su misura e ottimizzato per sincronizzare l?azionamento dei motori che azionano detti almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38).6. Method for synchronizing the motors which operate the means for producing pressure oscillations (38) in systems comprising at least two of said means (38), characterized in that it provides a device or ?drive? of motor drive (20, 300) custom designed and optimized for synchronizing the actuation of the motors driving said at least two means for producing pressure oscillations (38). 7. Metodo secondo la rivendicazione 6, in cui detto dispositivo (20, 300) ? un convertitore di potenza (30) configurato per azionare detti almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38) contemporaneamente mediante l?emissione di un segnale di sincronizzazione comune.7. Method according to claim 6, wherein said device (20, 300) is a power converter (30) configured to operate said at least two means for producing pressure oscillations (38) simultaneously by emitting a common synchronization signal. 8. Metodo secondo la rivendicazione 6 in cui detto sistema che produce vibrazioni ? un sistema criogenico (200) formato da almeno due crio-refrigeratori, detti almeno due criorefrigeratori comprendenti almeno due mezzi per la produzione di oscillazioni di pressione (38), detti mezzi (38) comprendenti valvole rotanti (14B, 14D), pistoni (10A, 10C), dislocatori (12A, 12B) o combinazioni di questi. 8. A method according to claim 6 wherein said vibration producing system ? a cryogenic system (200) formed by at least two cryocoolers, said at least two cryocoolers comprising at least two means for producing pressure oscillations (38), said means (38) comprising rotary valves (14B, 14D), pistons (10A , 10C), displacers (12A, 12B) or combinations thereof. 9. Metodo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di utilizzare il rumore caratteristico di ciascuno di detti almeno due crio-refrigeratori per creare interferenze distruttive, sfruttando la sovrapposizione coerente delle vibrazioni meccaniche generate dalle oscillazioni di pressione al fine di ottenere la minimizzazione o cancellazione del rumore del sistema insieme.9. Method according to claim 8, characterized in that it uses the characteristic noise of each of said at least two cryo-coolers to create destructive interferences, exploiting the coherent superimposition of the mechanical vibrations generated by the pressure oscillations in order to obtain the minimization or cancellation of system noise together. 10. Metodo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di utilizzare la frequenza di lavoro caratteristica di di detti almeno due crio-refrigeratori per creare interferenze, mediante la sovrapposizione coerente delle oscillazioni di pressione al fine di ottenere la massimizzazione del potere frigorifero del sistema.10. Method according to claim 8, characterized in that it uses the characteristic working frequency of said at least two cryo-coolers to create interferences, through the coherent superposition of the pressure oscillations in order to obtain the maximization of the cooling power of the system. 11. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8 ? 9 - 10 in cui detto dispositivo fornito ? compatibile ed integrabile con tutte le tipologie di crio-refrigeratori, dette tipologie comprendendo crio-refrigeratori a ciclo chiuso di tipo Stirling, Gifford Mc-Mahon e di tipo a tubo pulsato (PTC). 11. Method according to any one of claims 8? 9 - 10 in which said device supplied ? compatible and integrable with all types of cryo-chillers, these types including closed-cycle cryo-chillers of the Stirling, Gifford Mc-Mahon and pulsed tube type (PTC) types.
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